Ingenieria estructural

La ingenieria estructural és una branca clàssica de la ingenieria civil que s'ocupa del disseny i càlcul d'elements i sistemes estructurals tals com edificis, ponts, murs (incloent murs de contenció), preses, túnelés i atres obres civils. La seua finalitat és la de conseguir estructures segures, resistents i funcionals. En un sentit pràctic, l'ingenieria estructural és l'aplicació de la mecànica de mijos continus per al disseny d'estructures que soporten el seu propi pes (càrregues mortes), més les càrregues eixercides per l'us (càrregues vives), més les càrregues produïdes per events de la naturalea, com a vents, sismes, neu o aigua.

Introducció

Els ingeniers estructurals s'asseguren que els seus dissenys satisfacen un estàndart per a alcançar objectius establits de seguritat (per eixemple, que l'estructura no es derroque sense donar cap avís previ) o de nivell de servici (per eixemple, que la vibració en un edifici no moleste als seus ocupants). Adicionalment, són responsables per fer us eficient dels diners i materials necessaris per a obtindre estos objectius. Alguns eixemples simples d'ingenieria estructural ho constituïxen les voltós rectes simples, les columnes o pisos d'edificis nous, incloent el càlcul de càrregues (o forces) en cada membre i la capacitat de varis materials de construcció tals com acer, fusta o formigó. Eixemples més elaborats d'ingenieria estructural ho constituïxen estructures més complexes, tals com a ponts o edificis de varis pisos incloent rascacels.

Història

L'ingenieria estructural es remonta a l'any 2700 a. C. quan la piràmide escalonada per al faraó Djoser va ser construïda per Imhotep, el primer ingenier en l'història conegut pel seu nom. Les piràmides varen ser les estructures principals més comunes construïdes per les civilisacions antigues perque la forma estructural d'una piràmide és intrínsecament estable i es pot escalar casi infinitament (a diferència de la majoria de les atres formes estructurals, que no es poden aumentar linealmente en tamany en proporció a l'aument de càrregues).

L'estabilitat estructural de la piràmide, encara que s'obté principalment de la seua forma, depén també de la força de la pedra en la que està construïda i de la seua capacitat per a soportar el pes de la pedra que es troba sobre ella. Els blocs de pedra calcàrea a sovint s'extreen d'una pedrera propenca al lloc de construcció i tenen una resistència a la compressió de 30 a 250 MPa (MPa = Pa × 10⁶). Per lo tant, la força estructural de la piràmide prové de les propietats materials de les pedres en les que es va construir més que de la geometria de la piràmide.

A lo llarc de l'història antiga i medieval, la majoria dels dissenys i construccions varen ser realisats per artesans, com a albañil i carpinteros, que varen ascendir al paper de mestre d'obres. No existia cap teoria de les estructures, i la comprensió de cóm se sostenien les estructures era extremadament llimitada i es basava casi per complet en l'evidència empírica de 'lo que havia funcionat abans' i la intuïció. El coneiximent va ser retingut pels gremis i rara volta suplantat per alvanços. Les estructures eren repetitives i els auments d'escala eren incrementals.

No existix registre dels primers càlculs de la resistència dels membres estructurals o del comportament del material estructural, pero la professió d'ingenier estructural solament va prendre forma realment en la Revolució Industrial i la reinvención del formigó (vejau Història del formigó). Les ciències físiques que subyacer a l'ingenieria estructural varen començar a entendre's en la Renaixença i des de llavors s'han convertit en aplicacions informàtiques que varen ser pioneres en la década de 1970.

Cronologia

• 1452–1519 Leonardo dona Vinci va fer moltes contribucions.
• 1638: Galileo Galilei va publicar el llibre Dos noves ciències en el que va examinar els fallos en estructures simples.
• 1660: Llei de Hooke per Robert Hooke.
• 1687: Isaac Newton va publicar Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, que conté els seus lleis de moviment.
• 1750: Equació del fes de Euler-Bernoulli.
• 1700–1782: Daniel Bernoulli va introduir el principi del treball virtual.
• 1707-1783: Leonhard Euler va desenrollar la teoria del pandeo de les columnes.
• 1826: Claude-Louis Navier va publicar un tractat sobre els comportaments elàstics de les estructures.
• 1873: Carlo Alberto Castigliano va presentar la seua dissertació "Intorno ai sistemi elastici", que conté la seua teorema per a calcular el desplaçament com la derivada parcial de l'energia de deformació. Esta teorema inclou el método de el "menor treball" com a cas especial.
• 1874: Otto Mohr va formalisar l'idea d'una estructura estáticamente indeterminada.
• 1922: Timoshenko corrig la equació del fes de Euler-Bernoulli.
• 1936: Hardy Cross va publicar el método de distribució de moments, una innovació important en el disseny de pòrtics continus.
• 1941: Alexander Hrennikoff va resoldre la discretización de problemes d'elasticitat plana utilisant un marc de celosía.
• 1942: Richard Courant va dividir un domini en subregiones finitas.
• 1956: l'artícul de J. Turner, R. W. Clough, H. C. Martin i L. J. Topp sobre "Stiffness and Deflection of Complex Structures" introduïx el terme "método d'elements finitos" i és àmpliament reconegut com el primer tractament integral del método, com es coneix hui en dia.

Fallos estructurals

Artícul principal → Fallo estructural.

L'història de l'ingenieria estructural conté molts colapses i falles. A voltes, açò es deu a una negligència evident, com en el cas del colapse de l'escola de Pétion-Ville, en el que el reverent Fortin Augustin "va construir l'edifici sol, dient que no necessitava un ingenier perque tenia bons coneiximents de construcció" despuix de la solsida parcial de l'escola de tres pisos que va provocar la fugida dels veïns. El colapse final va matar a 94 persones, en la seua majoria chiquets.

En atres casos, els fallos estructurals requerixen un estudi cuidadós, i els resultats d'estes investigacions han resultat en pràctiques millorades i una major comprensió de la ciència de l'ingenieria estructural. Alguns d'estos estudis són el resultat d'investigacions d'ingenieria forense en les que l'ingenier original sembla haver fet tot d'acort en l'estat de la professió i la pràctica acceptable, pero aixina i tot es va produir una falla. Un cas famós de coneiximent i pràctica estructural que alvança d'esta manera es pot trobar en una série de fallos que involucren voltons caixó que es varen derrocar en Austràlia durant la década de 1970.

Teoria

L'ingenieria estructural depén d'un coneiximent detallat de mecànica aplicada, ciència dels materials i matemàtiques aplicades per a comprendre i predir cóm les estructures soporten i resistixen el pes propi i les càrregues impostes. Per a aplicar el coneiximent en èxit, un ingenier estructural generalment requerix un coneiximent detallat de còdics de disseny empírics i teòrics rellevants, les tècniques d'anàlisis estructural, aixina com algun coneiximent de la corrosió sobre la resistència dels materials. i estructures, especialment quan eixes estructures estan expostes a l'ambient extern. Des de la década de 1990, el software especialisat està disponible per a ajudar en el disseny d'estructures, en la funcionalitat d'ajudar en el dibuix, anàlisis i disseny d'estructures en la màxima precisió; els eixemples inclouen AutoCAD, StaadPro, ETABS, Prokon, Revit Structure, Inducta RCB, etc. Dit software també pot tindre en conte les càrregues ambientals, com a terremots i vents.

Principis estructurals

Deu entendre's com una càrrega estructural aquelles solicitaciones mecàniques (forces, moments, deformacions, desplaçaments) que deuen ser incloses en el càlcul dels elements mecànics resistents. L'estructura està constituïda pel conjunt d'elements mecànics resistents i les seues unions mecàniques considerats com un sistema. Les càrregues estructurals són generalment classificades com:

• càrregues mortes que actuen de forma contínua i sense canvis significatius, pertanyen a este grup el pes propi de l'estructura, espentes de líquits (com en un dic) o sòlits (com el sol en un mur de contenció), tensors (com en ponts), presfuerzo, assents permanents;
• càrregues vives que són aquelles que varien la seua intensitat en el temps per us o exposició de l'estructura, tals com el trànsit en ponts, canvis de temperatura, maquinària (com una prensa), acumulació de neu o graniç, etcétera; càrregues accidentals que tenen el seu orige en accions externes a l'us de l'estructura i la manifestació de la qual és de curta duració com lo són els events sísmics o raches de vent.

Alguns principis bàsics del càlcul estructural són:

• Aleatoriedad i incertitut, sobre el valor de les càrregues actuantes, per #lo que estes deuen ser tractades com variables aleatòries per lo que un càlcul estructural segur inclou determinar valors estadístics associats a la densitat de provabilitat de cada càrrega. Aixina es definix el valor característic d'una carrega F d'efecte desfavorable com el valor tal que:

Per als càlculs es definix el valor de dimensionado o valor de càlcul que és un valor mayorado calculat a partir del valor característic i els corresponents coeficients de seguritat com:

A on ${\gamma }_F\ge 1$ és el coeficient de mayoración de forces.

• Método dels estats llímits, moltes instruccions tècniques i métodos recomanats usen este método consistent en identificar un conjunt de situacions potencialment perilloses per a l'estructura, quan el valor de certa magnitut supera un cert llindar. El càlcul estructural consistix en identificar un conjunt de magnituts rellevants i comprovar que para totes elles es complix que:

A on $M_d$ és la capacitat estructural de l'element analisat que depén exclusivament de les propietats geomètriques de l'element i de les propietats dels seus materials constituents, i $M_u$ és el valor últim de solicitación que estadísticament pot aplegar a alcançar l'element estructural analisat. Si el valor de càlcul $M_d$ és major que el valor últim potencial de l'estructura $M_u$ en tot moment (capacitat, major que la demanda), es juja que l'estructura mantindrà l'integritat estructural i serà segura per al seu us establit. En la pràctica $M_d$ i $M_u$ són variables aleatòries, per #lo que els còdics de càlcul estructural contenen prescripcions aproximades assegurar la provabilitat: $\underset{t\in ℝ}{\max }{M}_d-M_u\ge 0$ siga suficientment menuda.

• Hipòtesis de càrrega, donades les incertituts existents sobre una estructura, i les diferents condicions en que pot treballar, no resulta possible determinar per mig d'un únic càlcul o combinació de càrregues l'efecte general de les càrregues. Per eixa raó la majoria d'instruccions tècniques establixen diferents combinacions de càrrega, que en el seu conjunt reproduïxen situacions cualitativamente diferents que poden ocórrer durant la vida útil d'una estructura.
• Models mecànics, el càlcul pròpiament dit d'una estructura involucra el fet d'usar algun tipo de model mecànic que relacione les càrregues estrucutrales en els efectes sobre l'estructura, entre els models mecànics més freqüentment usats estan:
  • La teoria de l'elasticitat llineal que per a estructures complexes dona lloc a un esquema d'elements finitos.
  • La teoria de voltons i models de càlcul derivats com el método matricial de la rigidea
  • La teoria de plaques i làmines.

Elements estructurals

Artícul principal → Element estructural.

Normalment el càlcul i disseny d'una estructura es dividix en elements diferenciats encara que vinculats pels esforços interns que es realisen uns sobre uns atres. Usualment a efectes de càlculs les estructures reals solen ser divisibles en un conjunt d'unitats separades cada una de les quals constituïx un element estructural i es calcula d'acort a hipòtesis cinemàtiques, equacions de comportament i materials diferenciats.

Els elements estructurals llineals i bidimensionales més comuns són:

-	Unidimensionals		Bidimensionales
Solicitaciones predominants	rectes	curvos	plans	curvos
Flexión	voltó recte, llindar, arquitrau	voltó balcó, arc	placa, llosa, forjat, mur de contenció	làmina, cúpula
Tracció	cable tensat	catenària	membrana elàstica
Compressió	pilar, columna		mur de càrrega

Professió

Els ingeniers estructurals són responsables del disseny d'ingenieria i l'anàlisis estructural. Els ingeniers estructurals principiantes poden dissenyar els elements estructurals individuals d'una estructura, com els voltons i columnes d'un edifici. Els ingeniers en més experiència poden ser responsables del disseny estructural i l'integritat d'un sistema complet, com un edifici.

Els ingeniers estructurals solen especialisar-se en tipos específics d'estructures, com a edificis, ponts, canonades, estructures industrials, túnels, vehículs, barcos, aeronaus i naus espacials. Els ingeniers estructurals que s'especialisen en edificis poden especialisar-se en materials de construcció específics, com a formigó, acer, fusta, mampostería, aleacions i composts.

L'ingenieria estructural existix des de que els sers humans varen començar a construir les seues estructures. Es va convertir en una professió més definida i formalisada en el sorgiment de l'arquitectura com una professió distinta de l'ingenieria durant la revolució industrial a fins de el XIX. Fins a llavors, l'arquitecte i l'ingenier estructural solien ser una mateixa cosa: el mestre d'obres. Solament en el desenroll del coneiximent especialisat de les teories estructurals que varen sorgir durant els sigles XIX i principis del XX, varen sorgir els ingeniers estructurals professionals.

El paper d'un ingenier estructural hui en dia implica un coneiximent significatiu de les càrregues estàtiques i dinàmiques i de les estructures disponibles per a resistir-les. La complexitat de les estructures modernes a sovint requerix una gran dosis de creativitat per part de l'ingenier per a garantisar que les estructures soporten i resistixquen les càrregues a les que estan someses. Un ingenier estructural normalment tindrà una llicenciatura de quatre o cinc anys, seguida d'un mínim de tres anys de pràctica professional abans de ser considerat plenament calificat. Els ingeniers estructurals estan autorisats o acreditats per diferents societats científiques i organismes reguladors de tot lo món (per eixemple, l'Institució d'Ingeniers Estructurals en el Regne Unit). Depenent del curs de grau que hagen estudiat i/o la jurisdicció en la que estiguen buscant la llicència, poden estar acreditats (o autorisats) com a sol ingeniers estructurals, o com a ingeniers civils, o com a ingeniers civils i estructurals. Una atra organisació internacional és IABSE (Associació Internacional d'Ingenieria de Ponts i Estructures). L'objectiu d'eixa associació és intercanviar coneiximents i promoure la pràctica de l'ingenieria estructural en tot lo món al servici de la professió i la societat.

Vore també

• [[Archiu:{{#switch:Ingenieria|20px|Vore el portal sobre Ingenieria]] Portal:Ingenieria. Contingut relacionat en Ingenieria.
• Ingenieria civil
• Ingenieria de l'edificació
• Ingenieria sísmica
• Fiabilitat estructural

Enllaços externs

Structures en Wikimedia Commons.

• Weblog dedicat a la divulgació del disseny d'estructures
• Sitie a on es resenyen tòpics de mecànica de sòlits i es brinda bibliografia i eixercicis
• Construnario, Catàlecs tècnics sobre ingenieria estructural